Flyg- och rymdsektorn – inklusive kommersiella och satelliter, rymdfarkoster, drönare och obemannade flygfarkoster (UAV) – har genomgått några radikala förändringar de senaste åren. Fler och fler företag ansluter sig till rymdkapplöpningen, och många av dem behöver innovativa tillverkningstekniker.
Laserbearbetningens förmåga att öka produktiviteten och hålla kostnaderna låga kan spela en nyckelroll för att förverkliga detta svar från flygindustrin. Laserbearbetning - som realiserar operationer i form av skärning, svetsning, sprängning och borrning - har blivit en integrerad del av flygtillverkning.
Till exempel används lasrar för att tillverka klaffar, vingfästen, jetmotorkomponenter och sätesdelar för flygplansvingar, samt för att reparera turbiner, rengöra eller ta bort färg från delar och förbereda komponentytor för vidare bearbetning. Under de senaste åren har lasertillsatstillverkning (AM) även vunnit popularitet inom rymdflygsektorn. Dessutom är marknaden ute efter att förbättra spårbarheten av flygkomponenter och därmed ökar efterfrågan på lasermärkning.
Laserskärning och svetsning
Laserskärning är en snabb, kostnadseffektiv och exakt process som kan användas för att möta de krävande tillverkningskraven inom flygsektorn.
Jämfört med konventionell bearbetning erbjuder laserskärning hög precision, mindre materialspill, snabbare bearbetningshastigheter, lägre kostnader och mindre utrustningsunderhåll. Dessutom maximerar det produktiviteten eftersom det är snabbt och enkelt att göra nödvändiga ändringar i bearbetningen.
Laser kan användas för att producera vingfästdelar, fixturdelar, sluteffektordelar, verktygsdelar och mer. Den är lika lämpad för mindre delar, såsom ympade oljepackningar och pilotrörsgrenrör av titan, såväl som större delar, såsom avgaskoner. Den kan bearbeta en mängd olika flygmaterial, inklusive aluminium, Hastelloy (nickel som har legerats med element som molybden och krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rostfritt stål, tantal och titan.
Lasersvetsning används även inom flyg- och rymdindustrin som ett alternativ till traditionella sammanfogningsmetoder som limning och mekanisk fastsättning. Till exempel är användningen av lasersvetsning av lätta aluminiumlegeringar och kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) i flygplanstillverkning material som blir allt viktigare och används för att ersätta nitning där det är möjligt. Tekniker som laserpendelsvetsning har också varit framgångsrika vid sammanfogning av bränsletankar, förbättrad effektivitet och styrka i lederna, minskat efterarbete och gett betydande kostnadsbesparingar. Andra svetsframgångar inom flygindustrin inkluderar att fästa gjutna kärnor av turbinblad på kåpor; och skapa nya typer av lätta vingklaffar som ökar laminärt flödeskontroll, minimerar motståndet och optimerar bränsleeffektiviteten.
Med potentialen för kostnadsbesparingar, reducering av delvikt och förbättrad svetskvalitet jämfört med traditionella metoder, börjar flera tillverkare på marknaden idag till och med överväga lasersvetsning för delar till flygplan.
Laserrengöring
Tillverkare inom flygsektorn använder laserrengöring för att ta bort skikt från metall- och kompositytor som förberedelse för bearbetning, för att ta bort beläggningar eller korrosion och för att ta bort färg från stora delar eller hela flygplan före ommålning.
Under rengöringsprocessen absorberas och förångas laserljuset av metallens ytskikt, vilket resulterar i ablation av ytmaterialet med liten eller ingen effekt på de inre skikten och ingen sidotermisk skada på komponenten. Pulsade fiberlasrar i kilowattklassen är särskilt väl lämpade för snabb laserrengöring - de möjliggör effektiv rengöring med hög precision av ett brett utbud av material, inklusive keramik, kompositer, metaller och plaster.
Användningen av kompositer i flygplan har ökat de senaste åren, och det har också behovet av att fästa metaller på kompositer. Inom flygtillverkning kan lim användas för att sammanfoga dessa två olika material, och för att skapa en stark bindning måste båda ytorna noggrant förberedas för bearbetning innan limmet appliceras.
Laserrengöring är det idealiska alternativet eftersom det skapar en mycket hårt kontrollerad, replikerbar ytfinish som kan uppnå en konsekvent, förutsägbar bindning. Traditionellt skulle detta åstadkommas genom destruktiva sprängtekniker eller applicering av flera kemikalier. Men laserrengöring erbjuder nu ett tillvägagångssätt i ett steg som inte bara är mer kostnadseffektivt och produktivt, utan också har mindre påverkan på miljön eftersom inga giftiga kemikalier eller blästringsmaterial krävs. Effekten av laserrengöring på delar är också mycket skonsammare än traditionella metoder.
Laserrengöring av metall och sammansatta flygplansdelar är också mer fördelaktigt än kemisk strippning eller blästringsteknik när det kommer till färgborttagning. Ett flygplan kan målas om 4-5 gånger under dess livstid, och det kan ta en vecka eller mer att ta bort färg från ett helt flygplan med traditionella tekniker. Beroende på storleken på flygplanet kan laserrengöring däremot minska denna tid till 3-4 dagar, och det gör det också lättare för arbetare att komma åt delar. Dessutom kan laserrengöring, när den används för borttagning av färg snarare än för kemisk strippning eller blästring, resultera i betydande kostnadsbesparingar - tusentals pund per flygplan - på grund av en minskning av farligt avfall med cirka 90 % eller mer och minskade materialhanteringskrav.
Laser Shot Peening/Laser Impact Peening
Spänningar i metallkomponenter kan leda till metallutmattning i flygplanskomponenter (som fläktblad i jetmotorer), vilket har potential att orsaka skada eller personskada. Detta kan mildras med en teknik som kallas laserblästring.
I denna process riktas laserpulser in i ett område med hög spänningskoncentration, och varje puls antänder en liten plasmaexplosion mellan ytan av komponenten och ett lager av vatten som sprutas ovanpå. Vattenskiktet begränsar explosionen, vilket gör att stötvågen tränger in i komponenten och skapar kompressionsrestspänningar när dess utbredningsområde expanderar. Dessa spänningar förbättrar sannolikheten för sprickbildning och andra former av utmattningsbeständighet i metaller. Laserpenning kan förlänga livslängden för metalldelar med en faktor 10-15 jämfört med konventionella processer.
Laserblästring används allt mer inom flygindustrin. Till exempel har LSP Technologies och Airbus tillsammans utvecklat ett bärbart laserblästringssystem som nyligen testades och utvärderades vid Airbus underhålls- och reparationsanläggning i Toulouse, Frankrike.
Leopard-laserblästringssystemet förlänger utmattningslivslängden genom att förhindra uppkomsten och expansionen av sprickor orsakade av cyklisk vibrationsbelastning. Flexibiliteten i leverans av fiberoptiska strålar och anpassade verktyg gör att systemet kan laserstråla områden som är svåra för flygplan att nå. Enligt partnerna är systemet ett genombrott inom laserblästringsteknik som kommer att främja användningen, inklusive förlängning av livslängden på jetmotorblad, bland annat.
Laserborrning
Moderna flygmotorer har cirka 500,000 hål, cirka 100 gånger så många som motorer byggda på 1980-talet. Samtidigt tillverkar flygplanstillverkarna ett ökande antal andra komponenter som har ett stort antal hål borrade för nitade och skruvade anslutningar. Inom flygsektorn har därför laserborrning stor marknadspotential eftersom den erbjuder en exakt, repeterbar, snabb och kostnadseffektiv process.
Till exempel utvecklas nya högeffekts femtosekundlasersystem för effektiv och exakt mikroborrning av stora titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler som kommer att monteras på ving- eller svansstabilisatorer. Dessa paneler drar luft genom små hål, vilket minskar friktionsmotståndet och sänker bränsleförbrukningen.
Eftersom laserborrning är beröringsfri behöver materialet som bearbetas inte fixeras på samma sätt som om det bearbetades med konventionella verktyg. En annan fördel med att vara beröringsfri är att inget verktygsslitage uppstår, vilket är en speciell fördel vid borrning av CFRP-komponenter. På grund av sin hårdhet kan CFRP-komponenter vara mycket nötande för konventionella verktyg. Laserborrning kan också utföras med mycket höga hastigheter, så att alltför stora skador från värme inte skadar materialet som bearbetas.
Additiv tillverkning
Laser Additive Manufacturing (AM) växer också snabbt inom flygindustrin. I denna teknik smälter en laser successiva lager av pulver för att bygga former. Ett raketföretag baserat i Kalifornien beställde till och med nyligen två 12-laserstråle-3D-skrivare för att göra sina rymduppdrag mer kostnadseffektiva och effektiva genom att skapa lättare, snabbare och starkare rymdkomponenter.
Medan många av dessa projekt fortfarande är i testfasen, har lasertillverkning redan använts framgångsrikt på två uppdrag till Mars. NASA:s Curiosity-rover, som landade i augusti 2012, var det första uppdraget till Mars för att bära 3D-utskrivna delar. Detta är en keramisk komponent inom instrumentet Sample Analysis for Mars (SAM), en del av ett pågående testprogram för att undersöka tillförlitligheten hos additiv tillverkningsteknik.
NASA-byggd bimetallisk förbränningskammare med GRCop-42 L-PBF-packningar och Nasa HR-1 LP-DED-mantel
Samtidigt innehåller NASA:s Perseverance-rover, som landade på Mars i februari 2021, 11 metalldelar tillverkade med lasertillverkning. Fem av dessa delar finns i Perseverances Planetary Instrument for X-ray Petrochemistry (PIXL), som letar efter tecken på mikrobiellt fossilt liv på Mars. Dessa delar måste vara så lätta att de inte kan tillverkas med traditionell smide, gjutning och skärteknik.
NASA har också experimenterat med användningen av lasertillverkning för raketkomponenter. I en studie gjordes förbränningskammaren i en raketmotor av en kopparlegering. Denna fortsatta utveckling av lasertillverkning har resulterat i en komponent som kan tillverkas till ungefär halva kostnaden och på en sjättedel av den tid som krävs för konventionell bearbetning, sammanfogning och montering. Eftersom de kopparlegeringar som används är mycket reflekterande av infraröda lasrar, undersöker NASA nu hur gröna eller blå lasrar kan förbättra effektiviteten och produktiviteten.
Även om tillämpningar för additiv tillverkning inom flyg- och rymdindustrin för närvarande är i ett tidigt skede, förväntas de växa under de kommande 20 åren.
Laser Grossing
Lasergrossing är också en mycket ny applikation inom flygindustrin. I denna process används ultrasnabba lasrar för att skapa mikro- och nanostrukturer på flygplansytor genom en teknik som kallas direkt laserinterferensmönster (DLIP), som används för att skapa en naturlig "lotuseffekt" som skapar nanostrukturer som hjälper till att förhindra ytkontamination. samt isuppbyggnad på flygplanet.
Den innovativa optiken delar upp en kraftfull ultrasnabb laserpuls i flera delstrålar, som sedan kombineras på ytan som bearbetas. När de ses under ett mikroskop liknar de resulterande mikrostrukturerna mikroskopiska "hallar" av "pelare" eller krusningar. Avståndet mellan "pelarna" är mellan cirka 150 nm och 30 μm - denna struktur gör att vattendroppar inte längre väter ytan och fastnar på den eftersom de inte har tillräckligt med grepp på ytan.
Fördelarna med detta material för flygplan inkluderar ökad avstötning av vatten, is och insekter. Dessa kan fastna på flygplanets yta och öka flygplanets vindmotstånd och därmed öka bränsleförbrukningen. Applicering av denna lasertextur skulle minska behovet av giftiga kemiska behandlingar som för närvarande tillämpas på flygplansytor för att undvika isbildning. Det är känt att det åldras med tiden och är känsligt för skador. Dessutom kan laserstrukturer tillverkade med DLIP-metoden hålla i åratal och orsakar inga miljöproblem.
Laserinspektion och spänningsreglering
Förutom ovanstående funktioner kan kombinationen av laser och ultraljud användas för inspektion och spänningsreglering av komplexa metallkonstruktionskomponenter. Användningen av högenergipulsad laserverkan på ytan av föremålet som ska testas, ytan av den lokala temperaturen förändras, vilket gör att föremålet testas i ytskiktet av termisk expansion, exciteringen av ultraljud, ultraljud kommer att bära materialytan och den interna användbar information, ultraljudssignaler med en detektor att ta emot, databearbetning och analys av föremålet som ska undersökas för att fastställa närvaron eller frånvaron av defekter.
Dessutom, på grund av att laser ultraljud har en hög tidsmässig och rumslig upplösning, kan producera en rik vågform, bred bandbredd av ultraljud, etc., efter omkoppling och laserexcitationsparameterjustering, kan laserultraljudet vara i delarna av vilken som helst utsedd del för att avlägsna all dragspänning, i fallet med att inte förstöra ytans integritet, utan uppvärmning, bildandet av en viss tjocklek av tryckspänningsförstärkt skikt. Det är också möjligt att reglera spänningsvärdet till konstruktionskravområdet, vilket avsevärt kan optimera utmattnings- och sprickmotståndet i den lokala positionen.
